一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法及装置

1.本技术涉及一种多星任务规划方法及装置，属于卫星任务规划领域，尤其涉及一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法及装置。


背景技术：

2.多星动态任务规划是指在已有全局最优方案的基础上，根据不确定环境下的任务需求动态变化的特点，考虑多个相互冲突的目标约束，适时调整任务规划方案，在局部重规划，快速重新安排多个新需求任务的大规模组合优化问题。在任务规划环境信息已知的情况下，可以通过确定性调度获得多星任务规划的一组全局最优方案集合，所有的卫星按照集合中自身预定的方案执行任务。一旦任务规划方案生成，将按照规划方案准确执行。然而，执行任务的实际环境存在各种不确定因素，会影响任务规划方案的执行。因此，需要综合考虑任务需求、保障类型、应用领域等卫星成像需求以更好的确定观测序列，设计一种更为高效的多星动态任务规划方法。
3.目前，国内外对多星动态任务规划问题的研究主要集中在卫星动态规划方法、规划模型及优化算法方面；其中，在卫星动态任务规划方面，包括前摄式调度、反应式调度和前摄反应式调度；在规划模型方面，包括单目标规划模型、多目标规划模型、动态规划模型；在优化算法方面，包括智能优化算法、启发式算法等。针对不确定环境下的多星动态任务规划存在以下挑战：
4.1)相较于确定性任务规划，动态任务规划在执行过程中存在各种不确定因素，例如云层遮挡、卫星设备故障、卫星资源失效，会影响任务规划方案的执行，增加了多星动态规划建模的复杂性。
5.2)多星动态任务规划时，用户需求存在不确定性，例如任务取消、安排任务的时间、地点或者使用的卫星资源发生改变。这就导致需要同时考虑多个相互冲突的目标，增加了多星动态规划求解的困难。
6.3)多星动态任务规划往往包含大量的任务需求，求解问题复杂度和计算复杂度呈指数增长，导致多星任务规划求解空间大、任务响应时间长、任务完成率不高。


技术实现要素：

7.根据本技术的一个方面，提供了不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，旨在较短时间内对新到达任务以最小化动作扰动进行局部重规划，利用有限的卫星资源效益最大化地完成成像任务。
8.所述不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，包括以下步骤：
9.(1)构建一种不确定环境下的任务优先级评估体系，分析任务优先级。本技术在多星多星动态任务规划的预处理阶段，通过建立任务优先级评估体系，能够充分考虑动态环
境中存在影响目标任务优先级的成像需求变化、卫星资源失效、分配任务冲突等不确定因素，继而提供一种更为合理的目标任务优先级评估方法。
10.(2)构建成像卫星与目标任务关系的决策变量，构建多约束条件，并根据任务需求构建不确定环境下多星动态任务规划的目标函数。
11.(3)构建不确定环境下基于两阶段混合调度的任务规划算法；其中，在所述两阶段中的第一阶段，根据所述任务优先级评估体系考虑不确定环境对多星任务规划方案的影响，并求解出第一阶段多星任务规划方案；在所述两阶段中的第二阶段，在第一阶段多星规划方案的基础上，对新任务以最小化动作扰动进行局部重规划。
12.优选地，本技术面向复杂不确定环境对卫星成像需求，从保障类型sur、应用领域app、任务需求req、资源特性res、紧急程度urg和环境扰动dis六个方面进行分析，故得到一种不确定环境下的任务优先级评估体系，对影响任务优先级的指标进行统一数学描述，如下公式所示：
13.w＝f(sur,app,req,res,urg,dis)。
14.优选地，步骤(1)中，所述分析任务优先级包括：根据所述任务优先级评估体系，采用层次分析法对任务优先级进行分析，并综合计算量化任务优先级指标。
15.优选地，采用层次分析法对任务优先级进行分析包括：
16.对所述任务优先级构建三个层次：目标层、准则层、方案层；
17.构建层次评估矩阵计算任务优先级的权向量，利用层次分析法的评判标度比较同一层次各因素的重要程度，综合计算量化任务优先级指标，将任务划分为低优先级任务(1-6级)和高优先级任务(7-10级)。
18.优选地，步骤(2)中，所述成像卫星与目标任务关系的决策变量包括：
19.卫星与目标任务决策变量，用于表示整体任务规划阶段内某一时刻任务是否被卫星所执行；
20.卫星与新目标任务决策变量，用于表示不确定环境影响下，新目标任务在动态规划过程阶段某一时刻是否被卫星执行；
21.扰动决策变量，用于表示不确定环境下新任务对整体任务规划产生的影。
22.优选地，所述卫星与目标任务决策变量的公式如下所示：
[0023][0024]
其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，taski表示任务集中的某一任务，satj表示卫星，orbitk表示轨道圈次。
[0025]
优选地，所述卫星与新目标任务决策变量的公式如下所示：
[0026][0027]
其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，ntaski表示新任务集中的元任务，satj表示卫星，orbitk表示轨道圈次。
[0028]
优选地，所述扰动决策变量的公式如下所示：
[0029][0030]
其中，i表示任务编号，α表示扰动程度，taski任务集中的某一任务。
[0031]
优选地，步骤(2)中，所述多约束条件包括成像持续时间约束、任务合成角度约束、侧摆角转换时间约束，其中，所述成像持续时间约束表示原任务与新任务形成的合成任务成像持续时间需处于卫星开关机时间范围内；所述任务合成角度约束表示原任务与新任务合成的角度需在卫星负载遥感器的单个视场角内。
[0032]
优选地，所述成像持续时间约束如下公式所示：
[0033][0034]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的结束时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的结束时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的开始时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的开始时间。
[0035]
优选地，所述任务合成角度约束如下公式所示：
[0036][0037]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的侧摆角，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的侧摆角，fovj表示卫星satj负载遥感器视场角的单个视场角。
[0038]
优选地，所述侧摆角转换时间约束如下公式所示：
[0039][0040]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的侧摆角，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的侧摆角，uj表示卫星satj改变侧摆角后的稳定时间，ωj表示平均侧摆速率，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的开始时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的结束时间,卫星satj在轨道圈次o上执行原任务task
k+1
的开始时间。
[0041]
优选地，步骤(2)中，所述不确定环境下多星动态任务规划的目标函数包括未安排任务收益目标函数、任务响应时间目标函数、动作扰动目标函数。
[0042]
优选地，所述未安排任务收益目标函数如下公式所示：
[0043][0044]
其中，nx
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，表示新任务ntaski的优先级，nn表示未安排任务数量。
[0045]
优选地，所述任务响应时间目标函数如下公式所示：
[0046][0047]
其中，x
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，nx
ijk
卫星与新目标任务决策变量，n表示目标任务数量，n
task
表示新目标任务数量，表示目标任务的响应时间，表示新目标任务响应时间。
[0048]
优选地，动作扰动目标函数如下公式所示：
[0049][0050]
其中，disx
i,α
表示扰动决策变量，α表示扰动程度，n
task
表示新任务数量。
[0051]
优选地，步骤(3)中，所述第一阶段，根据所述任务优先级评估体系考虑不确定环境对初始多星任务规划方案的影响，采用分层自适应差分进化算法，以生成最大化任务收益为目标，求解第一阶段多星任务规划方案。
[0052]
优选地，所述采用分层自适应差分进化算法具体包括：
[0053]
(311)根据卫星资源集、任务集、各卫星轨道根数及卫星有效载荷参数生成初始多星任务规划方案；
[0054]
(312)通过调整成像卫星侧视角，将多个点目标同时纳入观测条带范围，对视场角范围内的点目标进行元任务合成，最大化执行观测目标任务；
[0055]
(313)构建分层自适应差分进化算法：采用组合变异策略生成不同的变异向量，将不同的变异向量分布交叉得到不同的实验向量，通过选择实验向量当中的最优个体与目标向量选择操作，产生新一代个体；
[0056]
(314)通过参数自适应将上一代产生子代的参数用于下一代控制参数，最终通过多次迭代求解出最优执行方案作为第一阶段多星任务规划方案。
[0057]
优选地，所述组合变异策略包含两组变异策略：
[0058]
变异策略ⅰ：“de/rand/1”具有较强的探索性；
[0059]
变异策略ⅱ：“de/best/1”具有较强的开发性。
[0060]
优选地，步骤(3)中，所述第二阶段，在第一阶段多星任务规划方案的基础上，采用规避冲突损失的任务动态插入算法，旨在较短时间内对新到达任务以最小化动作扰动进行局部重规划，根据动态任务插入的启发式规则获取新到达任务的多星动态任务规划方案。具体包括：
[0061]
(321)输入第一阶段多星任务规划方案，并对新任务进行时间窗计算；
[0062]
(322)根据所述任务优先级评估系统，生成新任务的优先级；
[0063]
(323)遍历第一阶段所有任务及其时间窗口，根据任务各目标点是否存在合成位置，选择动态任务规划策略；若存在两个以上可合成位置，根据任务动态任务插入的启发式规则选择相适应的合成位置；
[0064]
(324)构建任务动态任务插入的启发式规则，其中包含最小化冲突度规则、卫星资源选取规则、任务竞争规则；
[0065]
(325)根据新任务插入与已安排任务的冲突情况，以规避冲突损失为目标，构建规避冲突代价的任务动态插入算法，获得新任务的多星动态任务规划方案。
[0066]
优选地，所述任务动态任务插入的启发式规则包括最小化冲突度规则、卫星资源选取规则、任务竞争规则；其中，
[0067]
所述最小化冲突度规则，成像卫星任务动态方案调整的过程涉及地面数传站、地面测控网、天基测控通信网等多个方面，为降低新任务插入对相关系统造成的冲突代价，保证任务规划方案的稳定性，应当最小化扰动；
[0068]
所述卫星资源选取规则(也即资源竞争规则)，是指为合理分配有限的时间窗口，有效完成不确定环境下的任务规划，根据不同任务之间的竞争程度，采用时间窗口竞争度反应不同任务对资源的竞争情况；
[0069]
所述任务竞争规则是指：根据任务竞争度优先安排待执行任务。
[0070]
优选地，所述所述冲突代价conflictcost的计算公式如下：
[0071][0072]
其中，x
insert
表示新任务插入的决策因子，δ表示高优先级任务奖励因子，priority
ntask
表示新任务优先级，表示任务优先级。
[0073]
优选地，所述时间窗口竞争度con_win的计算公式如下：
[0074][0075]
其中，表示安排任务taski执行的冲突持续时间，表示安排任务i执行后导致冲突的总时间，表示任务taski的优先级。
[0076]
优选地，所述任务竞争度con_task的计算公式如下：
[0077][0078]
其中，表示任务优先级，remain_winj表示剩余可用时间窗口数量。
[0079]
优选地，步骤(325)中，可采用四种所述规避冲突代价的任务动态插入算法完成新任务的动态插入：
[0080]
1)无冲突代价的合成插入：第一阶段多星任务规划方案为各卫星的合成任务观测序列，若新任务合成位置在多星任务规划方案的两个元任务之间或位于合成任务观测序列前后，则新任务插入不造成冲突代价，新任务能与多星任务规划方案中某个合成任务的元
任务进一步合成；
[0081]
2)无冲突代价的独立插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成将造成冲突代价，为消除冲突代价，将新任务视为单独的合成任务插入到某颗卫星的合成任务观测序列当中；
[0082]
3)规避冲突代价的任务迭代插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成或单独插入都无法规避冲突代价，通过调整冲突任务时间窗实现消除冲突代价；
[0083]
4)最小化冲突代价的任务替换：若新任务无法通过合成插入、独立插入及规避冲突代价等方式消除冲突代价，根据最小化冲突度规则选择冲突代价最小的时间窗进行替换。
[0084]
根据本技术的又一个方面，提供了一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划装置，包括处理器、存储器；所述存储器上存储有多星动态任务规划程序，所述多星动态任务规划程序被处理器执行时实现上述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法中的部分或全部步骤。
[0085]
本技术能产生的有益效果包括：
[0086]
1)本技术综合考虑不确定条件下保障类型、应用领域、任务需求、资源特性、紧急程度和环境扰动六个方面，构建一种不确定环境下的任务优先级评估体系，提供一种高效准确的目标任务优先级评估方法。
[0087]
2)本技术考虑成像持续时间约束、任务合成角度约束、侧摆角转换时间约束，并根据任务需求构建不确定环境下多星动态任务规划的目标函数，将不确定环境下的多星任务规划问题抽象为数学问题，为卫星任务规划技术领域，提供一种新的研究方法。
[0088]
3)本技术提出的动态任务规划方法基于两阶段混合调度，第一阶段中，采用分层自适应差分进化算法，以生成最大化任务收益为目标，求解第一阶段多星任务规划方案；第二阶段中，在第一阶段多星任务规划方案的基础上，采用规避冲突损失的任务动态插入算法，在较短时间内对新到达任务以最小化动作扰动进行局部重规划，根据动态任务插入的启发式规则获取新到达任务的多星动态任务规划方案。
[0089]
4)本技术具有响应速度快、动作扰动小、新到达任务完成度高等突出性能，对处理不确定环境下的多星任务规划具有应用价值。
附图说明
[0090]
图1为本技术一种实施方式中采用层次分析法的一种不确定环境下的任务优先级评估体系流程示意图；
[0091]
图2为本技术一种实施方式中一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法的流程示意图。
具体实施方式
[0092]
下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
[0093]
一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，具体包括如下步骤：
[0094]
步骤1：在多星动态任务规划的预处理阶段，针对动态环境中存在影响目标任务优先级的成像需求变化、卫星资源失效、分配任务冲突等不确定因素，构建一种不确定环境下的任务优先级评估体系，提供一种更为合理的目标任务优先级评估方法。
[0095]
(11)面向复杂不确定环境对卫星成像需求从保障类型sur、应用领域app、任务需求req、资源特性res、紧急程度urg和环境扰动dis六个方面进行分析，构建一种不确定环境下的任务优先级评估体系，对影响任务优先级的指标进行统一数学描述：w＝f(sur,app,req,res,urg,dis)。
[0096]
(12)根据任务优先级评估体系，采用层次分析法对任务优先级进行分析，具体实施如图1所示，并综合计算量化任务优先级指标，将任务划分为低优先级任务(1-6级)和高优先级任务(7-10级)。构建层次分析法的任务优先级评估模型，主要分为三个层次：目标层、准则层、方案层；然后，构建层次评估矩阵计算任务优先级的权向量，利用层次分析法的评判标度比较同一层次各因素的重要程度。
[0097]
步骤2：构建成像卫星与目标任务关系的决策变量，成像持续时间约束、任务合成角度约束、侧摆角转换时间约束，根据任务需求构建不确定环境下多星动态任务规划的目标函数，具体包括未安排任务收益目标函数、任务响应时间目标函数、动作扰动目标函数。
[0098]
(21)构建成像卫星与目标任务关系的决策变量，包括：
[0099]
(211)卫星与目标任务决策变量：用于表明整体任务规划阶段内某一时刻任务是否被卫星所执行。
[0100][0101]
其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，taski表示任务集中的某一任务，satj表示卫星，orbitk表示轨道圈次；
[0102]
(212)卫星与新目标任务决策变量：用于表明不确定环境影响下，新目标任务在动态规划过程阶段某一时刻是否被卫星执行；
[0103][0104]
其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，ntaski表示新任务集中的元任务，satj表示卫星，orbitk表示轨道圈次；
[0105]
(213)扰动决策变量：不确定环境下新任务对整体任务规划产生的影响。
[0106][0107]
其中，i表示任务编号，α表示扰动程度，taski任务集中的某一任务,
[0108][0109]
(22)成像持续时间约束、任务合成角度约束、侧摆角转换时间约束：
[0110]
(221)成像持续时间约束：原任务与新任务形成的合成任务成像持续时间需处于卫星开关机时间范围内。
[0111][0112]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的结束时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的结束时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的开始时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的开始时间。
[0113]
(222)任务合成角度约束：原任务与新任务合成的角度需在卫星负载遥感器的单个视场角内。
[0114][0115]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的侧摆角，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的侧摆角，fovj表示卫星satj负载遥感器视场角的单个视场角。
[0116]
(223)侧摆角转换时间约束：
[0117][0118]
其中，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的侧摆角，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的侧摆角，uj表示卫星satj改变侧摆角后的稳定时间，ωj表示平均侧摆速率，表示卫星satj在轨道圈次o上执行新任务ntaski的开始时间，表示卫星satj在轨道圈次o上执行原任务taskk的结束时间,卫星satj在轨道圈次o上执行原任务task
k+1
的开始时间。
[0119]
(23)根据任务需求构建不确定环境下多星动态任务规划的目标函数，具体包括未安排任务收益目标函数、任务响应时间目标函数、动作扰动目标函数：
[0120]
(231)未安排任务收益目标函数目标函数如下公式所示：
[0121][0122]
其中，nx
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，表示新任务ntaski的优先级，nn表示未安排任务数量；
[0123]
(232)所述任务响应时间目标函数如下公式所示：
[0124][0125]
其中，x
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，nx
ijk
卫星与新目标任务决策变量，n表示目标任务数量，n
task
表示新目标任务数量，表示目标任务的响应时间，表示新目标任务响应时间。
[0126]
(233)动作扰动目标函数如下公式所示：
[0127][0128]
其中，disx
i,α
表示扰动决策变量，α表示扰动程度，n
task
表示新任务数量,
[0129][0130]
步骤3：根据任务优先级评估体系考虑不确定环境对多星动态任务规划的影响，构建基于不确定环境下基于两阶段混合调度的任务规划算法。
[0131]
(31)第一阶段，采用分层自适应差分进化算法以生成最大化任务收益为目标求解第一阶段多星任务规划方案，包括：
[0132]
(311)根据卫星资源集、任务集、各卫星轨道根数及卫星有效载荷参数生成第一阶段多星任务规划方案；各卫星的观测序列可形式化描述为：
[0133]
timewindow_s＝[satellite,orbit,start_time,end_time,side_angle]
[0134]
其中，timewindow_s表示卫星观测序列，satellite表示执行目标任务卫星编号，orbit表示目标任务所在轨道圈次，start_time表示卫星执行目标任务的起始时间，end_time表示卫星执行目标任务的结束时间side_angle表示卫星侧摆角。
[0135]
(312)通过调整成像卫星侧视角，将多个点目标同时纳入观测条带范围，对视场角范围内的点目标进行元任务合成，最大化执行观测目标任务。首先，遍历所有轨道圈次，将每颗卫星单轨道圈次的元任务按照观测时间采用任务优先级排序。然后，对单轨道圈次中存在一个以上的元任务考虑任务合成。最后，将卫星视场角范围内满足成像持续时间、任务合成约束条件及侧摆角转化时间约束的目标任务进行合成。
[0136]
(313)构建分层自适应差分进化算法，第一阶段，采用组合变异策略，其中包含两
组变异策略：变异策略ⅰ：“de/rand/1”具有较强的探索性，变异策略ⅱ：“de/best/1”具有较强的开发性。首先，在变异过程中目标向量根据两组变异策略分别产生两种不同的变异向量。然后，两种不同的变异向量分别交叉得到两组不同的实验向量。最后，通过选择实验向量当中的最优个体与目标向量进行选择操作，产生新一代个体。
[0137]
(314)第二阶段通过参数自适应将上一代产生子代的参数用于下一代控制参数，最终通过多次迭代求解出最优执行方案作为第一阶段多星任务规划方案。参数控制方式如下：
[0138][0139][0140][0141][0142]
其中，表示个体的交叉因子，randn表示正态分布随机数，f
ig
表示个体的缩放因子，c表示学习率，mean表示算数平均值，及表示上一代所产生的后代控制参数集合。通过多次迭代初始多星任务规划方案可形式化描述为：
[0143][0144]
其中，表示任务合成方案，start_time表示卫星执行目标任务的起始时间，end_time表示卫星执行目标任务的结束时间side_angle表示卫星侧摆角，ctask表示合成任务。
[0145]
步骤4：第二阶段在第一阶段多星任务规划方案的基础上，采用规避冲突损失的任务动态插入算法，旨在较短时间内对新到达任务以最小化动作扰动进行局部重规划，根据动态任务插入的启发式规则获取新到达任务的多星动态任务规划方案。
[0146]
如图2所示，首先，输入第一阶段多星任务规划方案，并对新到达任务进行时间窗计算，新任务通过步骤1中的优先级评估体系生成其相应的优先级；
[0147]
其次，遍历所有的第一阶段任务及其时间窗口，根据任务各目标点合成位置的有无，选择合适的动态任务规划策略。若存在多个可合成位置，根据任务动态任务插入的启发式规则选择相适应的合成位置。任务动态任务插入的启发式规则，其中包含最小化冲突度规则、资源竞争规则、任务竞争规则。
[0148]
1)最小化冲突度规则：成像卫星任务动态方案调整的过程涉及地面数传站、地面测控网、天基测控通信网等多个方面，为降低新任务插入对相关系统造成的冲突损失，保证任务规划方案的稳定性，应当最小化扰动。
[0149]
2)资源竞争规则：为合理分配有限的时间窗口，有效完成不确定环境下的任务规划，根据不同任务之间的竞争程度，采用时间窗口竞争度反应不同任务对资源的竞争情况。新任务集中的未安排任务与第一阶段方案任务集中未安排任务具有冲突的情况下，优先安排时间窗口竞争度小的任务。
[0150]
所述时间窗口竞争度计算公式如下：
[0151][0152]
其中，con_win表示任务对时间窗竞争程度，表示安排任务taski执行的冲突持续时间，表示安排任务taski执行后导致冲突的总时间。
[0153]
3)任务竞争规则：根据任务优先级优先安排待执行任务
[0154][0155]
其中，con_task表示任务竞争度，表示任务优先级，remain_winj表示剩余可用时间窗口数量。
[0156]
最后，根据新任务插入与已安排任务的冲突情况，以规避冲突损失为目标构建规避冲突代价的任务动态插入算法，其中包含四种完成新任务的动态插入方法：无冲突损失的合成插入、无冲突损失的独立插入、规避损失的任务迭代插入和最小化冲突损失的任务替换。
[0157]
1)无冲突代价的合成插入：第一阶段任务方案为各卫星的合成任务观测序列，若新任务合成位置在第一阶段多星任务规划方案的两个元任务之间或位于合成任务观测序列前后，则新任务插入不造成冲突代价，新任务能与第一阶段多星任务规划方案中某个合成任务的元任务进一步合成。
[0158]
2)无冲突代价的独立插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成将造成冲突代价，为消除冲突代价，将新任务视为单独的合成任务插入到某颗卫星的合成任务观测序列当中。
[0159]
3)规避冲突代价的任务迭代插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成或单独插入都无法规避冲突代价，通过调整冲突任务时间窗实现消除冲突代价。
[0160]
4)最小化冲突代价的任务替换：若新任务无法通过合成插入、独立插入及规避冲突代价等方式消除冲突代价，根据最小化冲突度规则选择冲突代价最小的时间窗进行替换。
[0161]
最终根据动态任务插入的启发式规则获取新到达任务的多星动态任务规划方案。
[0162]
本技术还提供了一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划装置，包括处理器、存储器；所述存储器上存储有多星动态任务规划程序，所述多星动态任务规划程序被处理器执行时实现上述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法中的部分或全部步骤。
[0163]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

技术特征：
1.一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，该方法包括：(1)构建一种不确定环境下的任务优先级评估体系，分析任务优先级；(2)构建成像卫星与目标任务关系的决策变量，构建多约束条件，并根据任务需求构建不确定环境下多星动态任务规划的目标函数；(3)构建不确定环境下基于两阶段混合调度的任务规划算法；其中，在所述两阶段中的第一阶段，根据所述任务优先级评估体系考虑不确定环境对多星任务规划方案的影响，并求解出第一阶段多星任务规划方案；在所述两阶段中的第二阶段，在第一阶段多星规划方案的基础上，对新任务以最小化动作扰动进行局部重规划。2.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(1)中，所述任务优先级评估体系根据影响任务优先级的指标建立；优选地，所述影响任务优先级的指标包括保障类型sur、应用领域app、任务需求req、资源特性res、紧急程度urg和环境扰动dis，则所述任务优先级评估体系如下公式所示：w＝f(sur,app,req,res,urg,dis)。3.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分析任务优先级包括：根据所述任务优先级评估体系，采用层次分析法对任务优先级进行分析，并综合计算量化任务优先级指标。4.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(2)中，所述成像卫星与目标任务关系的决策变量包括：卫星与目标任务决策变量，用于表示整体任务规划阶段内某一时刻任务是否被卫星所执行；卫星与新目标任务决策变量，用于表示不确定环境影响下，新目标任务在动态规划过程阶段某一时刻是否被卫星执行；扰动决策变量，用于表示不确定环境下新任务对整体任务规划产生的影；优选地，所述卫星与目标任务决策变量的公式如下所示：其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，task
i
表示任务集中的某一任务，sat
j
表示卫星，orbit
k
表示轨道圈次；优选地，所述卫星与新目标任务决策变量的公式如下所示：其中，t表示任务规划阶段的某一时刻，ntask
i
表示新任务集中的元任务，sat
j
表示卫星，orbit
k
表示轨道圈次；优选地，所述扰动决策变量的公式如下所示：
其中，i表示任务编号，α表示扰动程度，task
i
任务集中的第i个任务。5.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(2)中，所述多约束条件包括成像持续时间约束、任务合成角度约束、侧摆角转换时间约束，其中，所述成像持续时间约束表示原任务与新任务形成的合成任务成像持续时间需处于卫星开关机时间范围内；所述任务合成角度约束表示原任务与新任务合成的角度需在卫星负载遥感器的单个视场角内；优选地，所述成像持续时间约束如下公式所示：其中，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行新任务ntask
i
的结束时间，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k
的结束时间，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行新任务ntask
i
的开始时间，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k
的开始时间；优选地，所述任务合成角度约束如下公式所示：其中，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行新任务ntask
i
的侧摆角，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k
的侧摆角，fov
j
表示卫星sat
j
负载遥感器视场角的单个视场角；优选地，所述侧摆角转换时间约束如下公式所示：其中，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行新任务ntask
i
的侧摆角，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k
的侧摆角，u
j
表示卫星sat
j
改变侧摆角后的稳定时间，ω
j
表示平均侧摆速率，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行新任务ntask
i
的开始时间，表示卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k
的结束时间,卫星sat
j
在轨道圈次o上执行原任务task
k+1
的开始时间。6.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不确定环境下多星动态任务规划的目标函数包括未安排任务收益目标函数、任务响应时间目标函数、动作扰动目标函数；
优选地，所述未安排任务收益目标函数如下公式所示：其中，nx
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，表示新任务ntask
i
的优先级，nn表示未安排任务数量；优选地，所述任务响应时间目标函数如下公式所示：其中，x
ijk
表示卫星与目标任务决策变量，nx
ijk
卫星与新目标任务决策变量，n表示目标任务数量，n
task
表示新目标任务数量，表示目标任务的响应时间，表示新目标任务响应时间；优选地，动作扰动目标函数如下公式所示：其中，disx
i,α
表示扰动决策变量，α表示扰动程度，n
task
表示新任务数量。7.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：(31)在第一阶段，根据所述任务优先级评估体系考虑不确定环境对多星任务规划方案的影响，采用分层自适应差分进化算法，以生成最大化任务收益为目标，求解初始多星任务规划方案，得到第一阶段多星任务规划方案；优选地，所述步骤(31)包括：(311)根据卫星资源集、任务集、各卫星轨道根数及卫星有效载荷参数生成初始多星任务规划方案；(312)通过调整成像卫星侧视角，将多个点目标同时纳入观测条带范围，对视场角范围内的点目标进行元任务合成，最大化执行观测目标任务；(313)构建分层自适应差分进化算法：采用组合变异策略生成不同的变异向量，将不同的变异向量分布交叉得到不同的实验向量，通过选择实验向量当中的最优个体与目标向量选择操作，产生新一代个体；(314)通过参数自适应将上一代产生子代的参数用于下一代控制参数，最终通过多次迭代求解出最优执行方案作为第一阶段多星任务规划方案。8.根据权利要求1所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，步骤(3)中，所述第二阶段进行的局部重规划包括：(321)输入第一阶段多星任务规划方案，并对新任务进行时间窗计算；(322)根据所述任务优先级评估系统，生成新任务的优先级；(323)遍历第一阶段所有的任务及其时间窗口，根据任务各目标点是否存在合成位置，选择动态任务规划策略；若存在两个以上可合成位置，根据任务动态插入的启发式规则选
择相适应的合成位置；(324)根据新任务插入与已安排任务的冲突情况，以规避冲突损失为目标，构建规避冲突代价的任务动态插入算法，获得新任务的多星动态任务规划方案。9.根据权利要求8所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法，其特征在于，所述任务动态任务插入的启发式规则包括最小化冲突度规则、卫星资源选取规则、任务竞争规则；其中，所述最小化冲突度规则是指：最小化扰动以降低新任务插入对相关系统造成的冲突代价；所述卫星资源选取规则是指：根据不同任务之间的竞争程度，采用时间窗口竞争度反应不同任务对资源的竞争情况，新任务集中的未安排任务与初始方案任务集中未安排任务具有冲突的情况下，优先安排时间窗口竞争度小的任务；所述任务竞争规则是指：根据任务竞争度优先安排待执行任务；优选地，所述所述冲突代价conflictcost的计算公式如下：其中，x
insert
表示新任务插入的决策因子，δ表示高优先级任务奖励因子，priority
ntask
表示新任务优先级，表示任务优先级；优选地，所述时间窗口竞争度con_win的计算公式如下：其中，表示安排任务task
i
执行的冲突持续时间，表示安排任务i执行后导致冲突的总时间，表示任务task
i
的优先级；优选地，所述任务竞争度con_task的计算公式如下：其中，表示任务优先级，remain_win
j
表示剩余可用时间窗口数量；优选地，所述规避冲突代价的任务动态插入算法以下至少一种：1)无冲突代价的合成插入：第一阶段多星任务规划方案为各卫星的合成任务观测序列，若新任务合成位置在第一阶段方案的两个元任务之间或位于合成任务观测序列前后，则新任务插入不造成冲突代价，新任务能与初始方案中某个合成任务的元任务进一步合成；2)无冲突代价的独立插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成将造成冲突代价，为消除冲突代价，将新任务视为单独的合成任务插入到某颗卫星的合成任务观测序列当中；3)规避冲突代价的任务迭代插入：若新任务与第一阶段多星任务规划方案合成任务的元任务合成或单独插入都无法规避冲突代价，通过调整冲突任务时间窗实现消除冲突代
价；4)最小化冲突代价的任务替换：若新任务无法通过合成插入、独立插入及规避冲突代价等方式消除冲突代价，根据最小化冲突度规则选择冲突代价最小的时间窗进行替换。10.一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划装置，其特征在于，该装置包括处理器、存储器；所述存储器上存储有多星动态任务规划程序，所述多星动态任务规划程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法。

技术总结
本申请公开了一种不确定环境下基于两阶段混合调度的多星动态任务规划方法及装置，其中方法包括：首先，针对动态环境中存在的影响目标任务优先级的不确定因素，构建任务优先级评估体系；其次，对多个相互冲突的目标构建约束条件及目标函数；最后，针对新到达任务需求，提出了一种两阶段混合调度的动态规划算法，能够在复杂动态环境中对已生成任务规划方案进行局部重规划。本申请具有响应速度快、动作扰动小、新到达任务完成度高等突出性能。新到达任务完成度高等突出性能。新到达任务完成度高等突出性能。


技术研发人员：胡敏 杨学颖 黄刚 阮永井 李安迪 齐晶 林鹏 杨茗棋
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/22